RO C ZNIK I G L E B O Z N A W C Z E TO M LVII N R 3 /4 W ARSZAW A 2 006: 1 2 7 -1 3 4
MIROSŁAW SKORBIŁOW ICZ
O C E N A W P Ł Y W U R O D Z A JU O R A Z IN T E N S Y W N O ŚC I
Ź R Ó D E Ł Z A N IE C Z Y SZ C Z E Ń W Ó D RZEKI SU P R A ŚL
EVALUATION OF POLLUTION SOURCES INFLUENCE
ON RIVER SUPRAŚL WATER
Instytut Inżynierii i Ochrony Środowiska, Katedra Badań Technologicznych, Politechnika Białostocka,Białystok
A b stra c t: M ulti-factorial analysis w as applied to identify the pollution sources o f river Supraśl.
The analysis made p ossib le to identify and evaluate the intensity o f main pollution sources influence. Determ inations and analyses revealed that Gródek tow n, B iałystok city, and p ost bog soils localized in region o f Upper and Lower Supraśl were main sources o f water pollution. Area with Puszcza Knyszyńska, fragment o f river Supraśl flow s through, is an ecotone zone for the river, and it does not introduce additional chem icals.
Słow a klu czow e: rzeka, azotany V, analiza czynnikowa. K ey w o rd s: river, nitrates, factor analysis.
WSTĘP
Ilnicki i in. [2001] twierdzą, że pogorszenie się jakości płynących wód powierzch niowych jest powodowane przez zanieczyszczenia punktowe (miasta, zakłady produk cyjne) i powierzchniowe (tereny rolne i leśne). Badania Durkowskiego i Woronieckiego [2001] wykazały, że wskaźnikami obniżającymi jakość wód na obszarach podobnych do obszaru zlewni rzeki Supraśl sąjony amonowe oraz ortofosforany.
Zanieczyszczenie wód płynących w zlewni rzeki Narew, dla której Supraśl jest dopływem, wynika przede wszystkim z rolniczej struktury użytkowania jej powierzchni. Dodatkowo na jakość wód negatywnie wpływajązanieczyszczenia z miejskich jednostek osadniczych oraz wody burzowe zarówno z terenów wiejskich, jak i miejskich [Koc i in. 2000].
128 M. Skorb iło w icz
Zmiany jakości wody w rzekach przepływających przez ekosystemy pobagienne zdarzają się w okresach o zwiększonej ilości opadów. Pogorszenie jakości wód w rzekach na skutek zwiększonych spływów z obszarów torfowisk może często sugerować inne źródła zanieczyszczeń. Na przeważającym obszarze zlewni występują gleby pobagienne murszowe charakteryzujące się dużą zawartością form azotu uwolnionych w wyniku mineralizacji gleb [Skorbiłowicz, Kiryluk 2005].
Celem pracy była próba identyfikacji i oceny intensywności oddziaływania źródeł zanieczyszczeń na jakość wód rzeki Supraśl.
MATERIAŁ I METODY
Badania prow adzono na rzece Supraśl, na której zlokalizow ano 7 punktów pomiarowych, z których pobierano próbki wody raz w miesiącu, w latach 2001,2002 i 2003 (rys.l). Punkty 1 ,2 ,3 zlokalizowane są w rejonie Supraśli Górnej, punkty 4 ,5 w rejonie Supraśli Środkowej, natomiast punkty 6 i 7 reprezentują Supraśl Dolną.
Rzeka Supraśl stanowi główne źródło zaopatrzenia miasta Białystok w wodę pitną. Rzeka o długości 93,8 km i powierzchni zlewni 1844,4 km2 jest prawobrzeżnym dopływem Narwi. Opad roczny kształtuje się w granicach 500-600 mm. W badanej dolinie przeważają gleby hydrogeniczne-pobagienne, zajmujące ok. 70% powierzchni. Gleby organiczne zdecydowanie przeważają na szerokich i płaskich odcinkach doliny Supraśli Dolnej i Górnej, gdzie zajmująok. 70% powierzchni. W granicach stosunkowo wąskiej doliny Supraśli Środkowej zajmują one 56% powierzchni. Na tym odcinku rzeki, w zlewni przeważają obszary leśne (ok. 63% pow. og).
W próbkach oznaczano stężenie jonów amonowych, azotanów III i V, rozpusz czonych fosforanów V, CHZTCr, siarczanów VI i chlorków m etodą kolorymetryczną, wartość przewodności właściwej m etodą potencjometryczną, wartość BZT5 metodą manometryczną, stężenie jonów sodu i potasu metodą emisyjnej spektrometrii atomowej, stężenie jonów wapnia, magnezu, żelaza i cynku m etodą absorpcyjnej spektrometrii atomowej. Oznaczenia przewodności elektrolitycznej wykonywano na miejscu w czasie pobierania próbek. W próbkach wody, którą filtrowano przed analizami przez filtry mikroporowate, oznaczano formy rozpuszczone poszczególnych składników. Do opraco wania statystycznego wyników badań wykorzystano statystyczną analizę czynnikową, która należy do grupy analiz wielowymiarowych i jest stosowana do opisu i eksploracji dużej liczby danych (w niniejszej pracy analizowano 330 wyników pomiarowych). W badaniach hydrochemicznych używa się jej do opisu procesów zachodzących w wodach powierzchniowych i podziemnych oraz identyfikacji źródeł zasilania i pochodzenia substancji kształtujących skład chemiczny wód.
Istota analizy wieloczynnikowej
Korelację między dwoma zmiennymi można przedstawić na wykresie rozrzutu. Następnie można dopasować linię, która najlepiej oddaje związek liniowy między tymi zmiennymi.
Ocena wpływu źró d eł zanieczyszczeń wód rzeki Supraśl 129
RYSUNEK 1. Lokalizacja punktów kontrolno-pomiarowych na rzece Supraśl FIGURE 1. Measuring points on Supraśl river
Czynnikami są wektory prostopadłe do siebie w wielowymiarowej przestrzeni definiowanej przez liczbę zmiennych użytych do analizy. W celu wzmocnienia związków między wykrytymi czynnikami i tworzącymi je zmiennymi oraz trudności w interpretacji tych zależności osie układu współrzędnych poddaje się rotacji w przestrzeni wielowy miarowej, np. rotacji typu Varimax. W ostatecznym opisie wyników analizy uwzględnia się tylko te czynniki, których tzw. wartości własne są równe jedności lub są wyższe [Morrisson 1990].
Czynniki są opisywane przez ładunki czynnikowe odpowiadające współczynnikom korelacji. Ładunki zbliżone do ±1 wskazują na bardzo silny związek między czynnikiem i zmienną oraz bardzo duży udział zmiennej w konstrukcji czynnika, natomiast wartości zbliżone do 0 świadczą o braku tego związku.
Ostateczną interpretację wykrytych czynników wykonuje się po sprawdzeniu wartości czynnikowych, tj. wartości (wag) obliczonych dla każdej jednostki obserwacji (np. punktu poboru - miejsca lub terminu poboru próbek) z uwzględnieniem każdego z wyodrębnionych czynników. Wartości czynnikowe oblicza się za pom ocą regresji wielokrotnej dla każdego czynnika [Jobson 1991].
Decyzję o liczbie czynników w modelu czynnikowym podejmuje się na podstawie odpowiednich kryteriów, np. „kryterium osypiska” i „kryterium Kaisera”, a także innych. W wielu przypadkach metodę tę stosowano w celu identyfikacji źródeł zanieczyszczeń środowisk wodnych [Puckett, Bricker 1992; Reeder i in. 1972].
130 M. S korbiłow icz
W celu interpretacji wyników analizy czynnikowej przyjęto, że związki zmiennej pierwotnej z czynnikiem są silne wówczas, gdy wartości bezwzględne jej ładunków są większe od 0,70. Podobną wartość stosowali m.in. Evans i in. [1996] oraz Puckett i Bricker [1992].
Obliczono również wartości mediany z 330 wyników pomiaru badanych parametrów, z każdego punktu kontrolno-pomiarowego, zgodnie z zaleceniami, w których Spahr i Wynn [1997] oraz Johnes i Burt [1993] twierdzą, że ten parametr jest odpowiedni do analiz statystycznych wyników badań dotyczących azotu i fosforu i innych składników chemicznych wód powierzchniowych.
WYNIKI I DYSKUSJA
Na podstawie analizy wieloczynnikowej oraz zastosowania „kryterium osypiska” i „kryterium Kaisera” wybrano 2 czynniki reprezentujące ok. 87% zmienności globalnej zjawisk w analizowanym układzie (tab. 1). Wartości mediany i odchylenia standardo wego zestawiono w tabeli numer 2, a uzyskane wyniki wykorzystano do oceny jakości wód na podstawie Rozporządzenia MOŚZNiL [2004] w sprawie klasyfikacji stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód.
Czynnik I wyjaśnia zmienność składu chemicznego wód Supraśli w 57%. Dodatnie ładunki czynnikowe będące „współczynnikami korelacji” między następującymi zmiennymi: azotany V, CHZTCr, siarczany VI, chlorki, przewodność elektrolityczna, wapń, magnez, sód, potas i cynk a czynnikiem I, w tym również największy udział tego czynnika (rys. 1) w punkcie kontrolnym nr 6, wskazują, jak się wydaje, na oddziaływanie miasta Białystok poprzez ciek Biała, odprowadzający oczyszczone i nieczyszczone ścieki bytowo-gospodarcze, przemysłowe i wody burzowe. Wymienione zmienne są silnie skorelowane z czynnikiem I wyjaśniającym procesy zasilania badanego cieku, który wskazuje m.in. na miasto Białystok jako jedno z głównych źródeł zanieczyszczeń w punkcie nr 6. Miasto Białystok ma dużą oczyszczalnię ścieków oraz elektrociep łownię. Wiele badań wskazuje na to, że wymienione wskaźniki zanieczyszczeń dominują w ściekach miejskich, często trudno rozkładalnych, w których duży udział m ają ścieki przemysłowe i wody roztopowe. Badania autora pracy wskazują również na duże stężenie jonów cynku w ściekach i osadach ściekowych z oczyszczalni ścieków w Białymstoku. Pozostałe zmienne (wapń, magnez, sód, potas oraz przewodność elektro lityczna) skorelowane z czynnikiem I są również związane z zanieczyszczaniem Supraśli przez Białystok, ale również duży udział w tym zanieczyszczaniu m ają procesy wymywania z gleb rejonu Supraśli Dolnej. Można to interpretować jako wymywanie mobilnych jonów z gleb przez spływ powierzchniowy i podpo wierzchnio wy wywołany roztopami lub/i opadami [Banaszuk 2004]. Jest to efekt wymywania tych jonów przez opady atmosferyczne z powierzchniowych poziomów gleb poddawanych nawożeniu [Skorbiłowicz, Kiryluk 2005]. Duży udział gleb pobagiennych w tym rejonie nie jest przyczyną podwyższonego stężenia tych składników w Supraśli.
Ocena wpływu źródeł zanieczyszczeń w ód rzeki Supraśl 131
TABELA 1. Wyniki analizy czynnikowej (metoda rotacji -varimax znormalizowana, pogrubiono liczby >0,7) TABLE 1. Results o f factor analysis (method od rotation -varimax standardized, values >0,7 bold)
Stężenie badanych wskaźników jakości wody pozwala zakwalifikować ją w punkcie kontrolnym nr 6 odpowiednio do następujących klas jakości wód powierzchniowych: azotanów V (I klasa), CHZTCr (IV klasa), siarczanów VI (I klasa), chlorków (I klasa), przewodności elektrolitycznej (II klasa), wapnia (И klasa), magnezu (I klasa), cynku (I klasa).
Czynnik II wyjaśnia 30% zmien ności ogólnej składu chemicznego wód Supraśli i jest skorelowany ze stężeniem: amonu, azotanów III, fosforanów V i BZT5. Wykazano dwa punkty silnego oddziaływania tego czynnika. Punkt kontrolny nr 2 zlokalizowany jest za miejscowością Gródek, w której znajdują się dwie oczyszczalnie ścieków (gminna i fab ryki maszyn rolniczych) oraz punkt nr 6 om awiany wcześniej. Część zmiennych badawczych skorelowa nych z czynnikiem II może wskazy wać na zrzut łatwo rozkładalnych, słabo oczyszczonych ścieków byto w o-gospodarczych i z przem ysłu
rolno-spożywczego, które pochodzą z miejscowości Gródek i miasta Białystok. Podwyż szone stężenie związków azotu i fosforu w punktach 2 i 6 mogą być również konsekwencją oddziaływania gleb pobagiennych, które występują w rejonie Supraśli Górnej i Supraśli Dolnej [Mirowski i in. 1990; Skorbiłowicz, Kiryluk 2005]. Na stężenie związków azotu i fosforu w wodach odpływających z Supraśli Dolnej miały wpływ intensywne sposoby użytkowania łąk, a także występujące nieużytkowane działki łąkowe [Kiryluk 2003]. Nie można również wykluczyć zanieczyszczeń pochodzenia zwierzęcego (odchody) w spływach niesionych z łąk, które pokrywają te obszary, co może dotyczyć badanego obszaru na odcinku Supraśli Górnej. Zjawiska te mogą dodatkowo nasilać się w okresach z dużą ilością opadów atmosferycznych [Skorbiłowicz, Kiryluk 2005]. Badania Koca i innych [1996] wykazały, że to głównie azotany III, dostające się ze spływem powierz chniowym i podpowierzchniowym w okresach pozawegetacyjnych zanieczyszczają wody powierzchniowe z obszarów rolniczych, co znalazło potwierdzenie w badaniach autora pracy.
Stężenie badanych wskaźników jakości wody pozwala zakwalifikować ją w punkcie kontrolnym nr 2 odpowiednio do następujących klas jakości wód powierzchniowych: am ov . (II klasa), azotanów III (I klasa), fosforanów V (wody pozaklasowe), BZT5 (II klasa).
Zmienna - Variable Czynnik - Factor
j
I II ! Azot amonowy 0,46 0,82 Azotany III 0,32 0,91 Azotany V 0,88 0,14 Fosforany V 0,28 0,94 CHZTCr 0,72 0,58 BZTS 51агсглпу VI -0,23 0,87 0,98 0,03 Chlorki 0,94 0,17 Przewodność elektrolityczna 0,91 0,37 Wapń 0,88 0,07 ! Magnez 0,94 0,25 Sód 0,94 0,18 Potas 0,80 0,43 Żelazo 0,66 0,50 Cynk 0,75 0,48 !
Wyjaśnienie zmienności składu chemicznego wód Supraśli przez czynnik I i II [%] Variance explained [%]
57 30
TABELA 2. Podstawowe parametry statystyczne wyników badań wód Supraśli TABLE 2. Statistical parameters o f investigation results o f Supraśl waters Nr pun ktu Wskaź nik N=330 Azot amo nowy Azo tany III Azo tany V Fosfo rany V CHZTCr BZT5 Siar cza ny I Chlor ki Przewód, elektro 1. Ca Mg Na К Fe Zn [mg • dm-3] [mg 0 2 • dm-3] [mg • dm-3] [pS-cnr1] [mg-dm-3] 1 mediana 0,38 0,031 3,4 0,25 31 1,7 41 11 380 54,8 8,8 7,3 3,7 0,26- 0,019 SD 0,20 0,019 4,2 0,08 9 2,1 14 6 60 15,6 2,5 3,0 2,6 0,18 0,013 2 mediana 0,99 0,075 4,2 1,32 43 2,4 43 22 450 56,4 10,4 8,5 4,8 0,34 0,057 SD 0,93 0,038 8,6 1,56 11 2,1 14 8 44 13,4 20,2 2,8 2,9 0,22 0,026 3 mediana 0,51 0,042 2,4 0,75 38 2,4 36 10 390 49,7 9,0 7,5 3,2 0,28- 0,031 SD 0,25 0,025 6,7 0,48 9 1,7 12 7 40 15,6 2,7 3,3 2,7 0,17 0,029 4 mediana 0,38 0,043 3,1 0,47 38 2,2 37 9 390 41,6 8,6 6,5 3,1 0,31 0,027 SD 0,23 0,043 6,6 0,44 9 1,5 10 6 36 16,4 3,1 2,9 1,6 0,17 0,014 5 mediana 0,39 0,038 2,5 0,49 34 2,2 38 9 400 48,0 9,0 6,2 2,9 0,32 0,026 SD 0,92 0,186 6,0 0,41 10 0,8 8 4 50 16,7 4,5 1,9 1,1 0,21 0,022 6 mediana 0,68 0,051 4,8 0,78 49 2,1 65 38 520 63,1 12,4 13,0 4,9 0,39 0,057 SD 1,36 0,172 7,4 0,43 12 1,4 27 31 111 14,5 6,4 10,1 3,8 0,49 0,024 7 mediana 0,41 0,034 3,8 0,43 33 2,1 38 21 390 51,2 9,7 6,3 2,8 0,25 0,038 SD 1,03 0,152 5,4 0,36 7 0,9 10 11 57 12,2 6,2 2,8 2,7 0,21 0,013 1 32 M . S k o r b ił o w ic z
Ocena wpływu źró d eł zanieczyszczeń wód rzeki Supraśl 133
RYSUNEK 2. Dynamika zmian wartości czynnikowych w punktach kontrolno-pomiarowych na rzece Supraśl
FIGURE 2. Factor scores in points measuring on Supraśl river
Badania wykazały, że w punktach kontrolnych nr 2 i 6 wody Supraśli miały najniższe klasy jakości wód powierzchniowych (IV klasa w punkcie nr 6 oraz wody pozaklasowe w punkcie nr 2), co znalazło potwierdzenie w obliczeniach analizy wieloczynnikowej.
Na rysunku 2 można zauważyć wyraźne minima oddziaływania czynników I i II. Minima te występują w punktach kontrolnych 3-5 położonych w granicach dużego kompleksu leśnego Puszczy Knyszyńskiej. Oddziaływanie lasów powodujące zmniejsze nie stężenia związków azotu, makroelementów i innych składników chemicznych w wodach podziemnych i powierzchniowych jest znane. W skazują m.in. na to badania Górniaka i Zielińskiego [1998] oraz Skorbiłowicza i in. [2004].
WNIOSKI
1. Prowadzone badania i wyniki analizy pozwoliły zidentyfikować główne punktowe źródła zanieczyszczeń rzeki Supraśl, do których zaliczono miejscowość Gródek oraz miasto Białystok.
2. W okresie nasilonych opadów atmosferycznych amon i azotany III z obszarów gleb pobagiennych w rejonie Supraśli Górnej i Dolnej m ogą przedostawać się do wód rzecznych.
3. Tereny zalesione (znaczne obszary Puszczy Knyszyńskiej) stanowią strefę ekoto- nową dla rzeki Supraśl i nie emitują przy tym badanych składników do wód po wierzchniowych.
LITERATURA
B A N A SZ U K P. 2004: Identyfikacja procesów kształtujących skład chem iczny m ałego cieku w krajobrazie rolniczym na podstawie analizy czynnikow ej, W oda-Środow isko-O bszary Wiej
skie 4, 1 (10): 103-1 1 6 .
D URKO W SKI T., WORONIECK1 T. 2001: Jakość w ód pow ierzchniow ych obszarów w iejskich Pomorza Zachodniego, Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 476: 3 6 5 -3 7 1 .
134 M. Skorbiłow icz
EVANS C:-D., DAVIES T.D., WIGINGTON JRP.J., TRANTER M., KRETSCHIER W.A. 1996: U se o f factor analysis to investigate p rocesses controlling the chem ical com p osition o f four streams in Adirindack Mountains, N ew York. J. Hydrol. 185: 2 9 7 -3 1 6 .
GÓ RNIAK A ., ZIELIŃSKI R 1998: W pływ lesistości zlew ni na jakość w ód rzecznych w ojew ód z twa białostockiego. Przegl. Nauk. S G G W 16: 2 3 1 -2 4 0 .
ILNICKI P, KALETA-W IĘCKOW SK A M., M ARCINIAK M., M IKOŁAJEW SKA E. 2001: Za nieczyszczenie rzeki Warty przez źródła punktowe w latach 1993-1998. Zesz. Probl. Post.
Nauk Roln. 476: 125-131.
JOBSON J.D. 1991: Applied multivariate analysis. 1. Regression an experimental design. Sprin ger, N ew York: 650 ss.
JOHNES P.J., BURT T.P. 1993: Nitrate in surface waters. W: T.P. Burt, A.L. Heathwaite, S.T. Trugill (eds), Nitrate: Processes, Patterns and M anagement. W iley, Chichester: 2 6 9 -3 1 7 . KIRYLUK A. 2003: W pływ sposobu użytkowania torfowiska niskiego na zawartość biogenów
i innych składników w wodach gruntowych i w w odach z row ów melioracyjnych na obiekcie Supraśl Dolna. A cta A groph ysica 87, 1(2): 2 4 5 -2 5 3 .
KOC J., CIEĆKO C., JANICKA R., ROCHWERGER A. 1996: Czynniki kształtujące poziom m ine ralnych form azotu w wodach obszarów rolniczych. Zesz. Probl. N auk Roln. 440: 1 75-183. KOC J., NOW ICKI Z., GLIŃ SK A K., ŁAC HA CZ A. 2000: Kształtowanie się jakości w ód w
warunkach małej antropopresji na przykładzie zlew ni strugi Ardung (Pojezierze O lsztyńskie).
Zesz. Nauk. PAN „ C złow iek i śro d o w isk o ” 25: 155-167.
MIROWSKI Z., N IK LEW SK A A., WÓJCIAK H. 1990: W pływ sposobu użytkowania na profilo w e rozm ieszczenie azotu w e frakcjach hum usowych zm eliorow anych gleb torfowo-m urszo- w ych. W iad IM U Z 17, 3: 147-156.
M ORRISSON D.F. 1990: W ielowym iarow a analiza statystyczna. PW N, Warszawa: 589 ss. PUCKETT L.J., BRICKER O.P. 1992: Factors controlling the major ion chemistry o f streams in
the Blue R idge Valley and physiographic provinces o f Virginia and Maryland. Hydrol. P ro
ces 6: 7 9 -9 8 .
REEDER S.W., HITCHON В., LEV IN SON A .A . 1972: Hydrochemistry o f the surface waters o f the M ackenzie River drainage basin, Canada. Cz. 1. Factors controlling inorganic com posi tion. Geochim. Cosmochim. A cta 36: 82 5 -8 6 5 .
ROZPORZĄDZENIE 284 Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie klasyfikacji dla prezentowania stanu wód pow ierzchnio w ych i podziem nych, sposobu prowadzenia m onitoringu oraz sposobu interpretacji w y n i ków i prezentacji stanu tych wód.
SKORBIŁOW ICZ M., KIRYLUK A. 2005: Gleby pobagienne i ich w pływ na sezonow e zmiany jakości w ód rzeki Supraśl, cz. II. J. E lem entology 10(3): 8 1 1 -8 1 9 .
SKORBIŁOW ICZ M. 2004: W pływ rodzaju zlew ni na stężenie wybranych makroskładników w wodach górnej Narwi. W oda-Środow isko-O bszaiy Wiejskie 4, 1 (10): 117-123.
SPAHR, N. E., W Y N N K. H. 1997: Nitrogen and phosphorous in surface waters o f the Upper Colorado River Basin. JAWRA 33: 5 4 7 -5 6 0 .
D r inż. M iro sła w S k o rb iło w icz, P o lite c h n ik a B ia ło sto c k a , 1 5 -3 3 3 B iafystok, ul. W iejska 45C , m s k o r b ilo w ic z @ p b .b ia ly s to k .p l
